烧结过程中的主要分解反应是碳酸盐(CaCO3、MgCO3和FeCO3等)和一些氧化物的分解。碳酸盐的分解压为101.325kPa时，其温度为：CaCO3 910℃，MgCO3 630℃，FeCO3 400℃。因此，在烧结过程中它们是完全可以分解的。如果石灰石粒度较粗，则不但分解时间延长，且不能完全分解并与其他氧化物充分进行矿化，烧结矿中残留的自由CaO，会导致烧结矿的粉化。因此，石灰石粒度要求小于3mm。碳酸盐分解为吸热反应，增加石灰石用量一般要相应地增加配碳量。
铁氧化物在烧结过程中，可根据其形态、温度和气相成分，而进行分解、还原或氧化反应。Fe2O3的分解压在1383℃时为20.6kPa(0.21大气压)，烧结过程中氧的分压较低(6.8～18.6kPa)，故在1300～1350℃(燃烧层)即可发生热分解(6Fe2O3=4Fe3O4 O2)。Fe3O4和FeO的分解压很小，在烧结过程中不可能产生热分解。Fe2O3分解压高，烧结废气中常含少量CO，可在300～400℃开始还原，所以Fe2O3在预热层和燃烧层中即被还原；Fe3O4的分解压低，只有在CO浓度高的气氛下才能被还原，所以还原仅在燃烧层中燃料颗粒附近的温度和CO浓度都较高的区域进行。FeO只有在燃料配比很高(>10%)的条件下才能被还原成部分金属铁。在燃料配比低的条件下，Fe2O3热分解和还原反应相对较少。在烧结矿层中，由于无碳存在，Fe3O4和FeO可部分地被氧化成Fe2O3。
非铁元素在烧结过程中的行为 MnO2和Mn2O3的分解压很高(分解压为20.6kPa时的温度分别为460℃和927℃)，因此它们在预热层中，就可分解和被还原，生成的Mn3O4与SiO2形成低熔点的Mn2SiO4。FeS2在565℃时开始热分解(2FeS2 = 2FeS S2)，但在分解前即可进行氧化(4FeS2 11O2 = 2Fe2O3 8SO2)，在565～1383℃，氧化和热分解同时进行，温度更高时氧化产物是Fe3O4；FeS2(FeS)也可被Fe2O3氧化，生成的SO3 可以被CaO吸收生成CaSO4。缩小矿粉粒度，配合合适的燃料量以保持充分的氧化气氛和较高的温度，有利去脱；提高碱度降低去硫率，一般烧结过程可除去90%以上的硫。硫酸盐(BaSO4等)的分解温度较高，去硫率在80%～85%。As2O3易挥发去除，但As2O5却很稳定。PbS和ZnS可被氧化生成PbO和ZnO，熔解在硅酸盐渣相中。故As、Pb、Zn在烧结过程中较难去除，在高燃料配比的条件下，可去除一部分。加少量氯化物(CaCl2等)可生成易挥发的AsCl3、PbCl2和ZnCl2，可除去60%的As，90%的Pb和60%的Zn。K2O、Na2O和P2O5在烧结过程中较难去除。
矿粉的熔融和凝固矿粉熔融前存在固相反应。它是在矿粉被加热到其熔点以下的一定温度时，颗粒表面离子动能增加而引起的迁移、扩散和相互结合成新化合物的反应。固相反应产物2CaO·SiO2出现的温度为500～690℃；CaO·Fe2O3出现的温度为400～600℃；2CaO·Fe2O3为400℃；2FeO·SiO2为970℃。这些反应在预热层和燃烧层可以进行，但由于时间短，不会有很大发展。2CaO·SiO2在高温熔体中可以全部保存，2FeO·SiO2则部分分解，而CaO·Fe2O3和2CaO·Fe2O3则全部分解。固相反应都是放热反应，其反应程度除受温度影响外，还受相互间的接触条件和化学亲和力的影响。在还原、氧化和固相反应的过程中，烧结料中会出现一些低熔点的物质，如2FeO·SiO2(熔点为1205℃)及其共晶混合物(1177～1178℃)，CaO·Fe2O3(1216℃)，FeO-2CaO·SiO2系共晶混合物(1280℃)，CaO·Fe2O3-CaO·2Fe2O3系共晶混合物(1200℃)和CaO·Fe2O3- 2CaO·Fe2O3-Fe3O4系共晶混合物(1180℃)。这些物质首先熔化，并不断熔解其余的物料，改变自身的成分，形成新的熔体。熔体的成分受烧结料组成和还原氧化反应程度等因素的影响，但熔体基本上可以分成硅酸盐体系和铁酸盐体系两大类。烧结矿品位高(即含SiO2低)、碱度高和氧化程度高，有助于铁酸盐熔体的生成；反之，则有助于硅酸盐熔体的形成。熔体冷却凝固后，形成不同结构的烧结矿。在冷却凝固过程中，根据熔体成分的不同，可以结晶出赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、铁酸钙(CaO·Fe2O3和2CaO·Fe2O3)、硅酸钙(2CaO·SiO2和3CaO·SiO2等)和钙铁橄榄石(CaO·FeO·SiO2 )等矿物。在含TiO2和CaF2的烧结矿中，则可形成钙钛矿(CaO·TiO2) 和枪晶石(3CaO·2SiO2·CaF2)。最后凝固的是低熔点的玻璃体，其组成主要是成分复杂的硅酸盐。不同的矿物组成对烧结矿的性能有很大影响。例如，铁酸钙的还原性比钙铁橄榄石好，比铁橄榄石(2FeO·SiO2)更好；2CaO·SiO2在冷却过程中产生晶变(β2CaO·SiO2→γ2CaO·SiO2)，发生约10%的体积膨胀，引起烧结矿粉化；非晶态的玻璃体强度较晶态矿物差。凝固过程中，由于体积收缩而产生大小和数量不同的气孔，小而多的气孔有利于提高强度和还原性，大气孔结构不利于改善强度和还原性 。
